【JavaEE初阶】多线程（二）线程状态以及多线程安全问题
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文章目录
- 线程的状态
- 多线程带来的风险
-
- 线程安全
- 线程安全的原因
- 解决线程不安全问题（加锁）
- synchronized关键字-监视器锁monitor lock
-
- synchronized的特性
- java中的死锁问题
-
- 死锁
- 死锁的三个典型情况
- 死锁的四个必要条件
- 如何避免死锁？
- Java 标准库中的线程安全类
线程的状态
状态是针对当前的线程调度的情况进行描述的。
线程是调度的基本单位，状态是线程的属性。
- NEW：创建了Thread对象，但是还没调用start（内核中还没有创建PCB）
- TERMINATED：表示内核中的pcb已经执行完毕了，但是Thread对象还在。
- RUNNABLE：可运行的（包括正在CPU上执行的和在就绪队列中随时可以去CPU上执行的）
- WAITING
- TIMED_WAITING
- BLOCKED
4~6三个状态都是阻塞状态。（都是表示线程PCB正在阻塞队列中）只不过是不同原因的阻塞。
TERMINATED状态中，内核中线程的PCB被释放了，此时代码中的t对象也就没用了。Java中对象的生命周期自有其规则，这个生命周期和系统内核中的线程并非完全一致，**内核的线程释放的时候，无法保证Java代码中的t对象也立即释放。**此时t对象标识为：无效。虽然t对象无效了，但是t对象依旧可以完成调用函数等操作。
一个线程只能start一次。
public class ThreadDemo10 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 100; i++) {
for (int j = 0; j < 1000_0000; j++) {
int a = 10;
a += 10;
}
}
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
});
//未start之前是new状态
System.out.println("start之前："+t.getState());
t.start();
//t执行中的状态runable
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
System.out.println("t 执行中的状态: " + t.getState());
}
t.join();
// 线程执行完毕之后, 就是 TERMINATED 状态
System.out.println("t 结束之后: " + t.getState());
}
}
多线程的意义：
多线程可以更充分利用多核心的CPU资源，从而加快程序的运行效率。
多线程带来的风险
线程安全
线程安全的问题的根本原因就是抢占式执行，带来的随机性。
我们来看一个例子：
class Counter {
public int count = 0;
public void add() {
count++;
}
}
public class ThreadDemo12 {
public static void main(String[] args) {
Counter counter = new Counter();
// 搞两个线程, 两个线程分别针对 counter 来 调用 5w 次的 add 方法
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 50000; i++) {
counter.add();
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 50000; i++) {
counter.add();
}
});
// 启动线程
t1.start();
t2.start();
// 等待两个线程结束
try {
t1.join();
t2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 打印最终的 count 值
System.out.println("count = " + counter.count);
}
}
以上代码我们预期结果是100000次，但是运行结果如下：
为什么出现这个bug呢？
count++；本质上在操作系统中分成三 步：
- 先把内存中的值，读取到CPU的寄存器上（load）
- 把CPU寄存器中的值进行+1操作。（add）
- 把读到的结果写到内存中。（save）
当两个线程并发执行count++时，就相当于load add save同时执行。此时就会产生结果上的差异。
可能执行的方式：
箭头是时间轴，靠上就是先执行，靠下就是后执行。
由于线程之间是随机调度的，导致此处的调度顺序充满其他可能性。
线程安全的原因
- 【根本原因】抢占式执行，随机调度
- 代码结构：多个线程同时修改一个变量。
- 原子性：如果修改操作是原子的，影响不是很大。但是如果是非原子的，出现问题的概率就会增加很多。
- 内存可见性问题
- 指令重排序（本质上是编译器优化出现了bug）：单个线程里，顺序发生调整。
- …
要想解决线程安全问题，主要手段就是从原子性入手，把非原子的操作，变成原子的。加锁。
解决线程不安全问题（加锁）
上面我们说到。通过加锁，我们可以把不是原子的，转成原子的。
加了synchronized之后，进入add方法就会加锁，出了add方法就会解锁。
如果两个线程同时尝试加锁，此时只有一个能获取锁成功，另一个只能阻塞等待（BLOCK）。一直阻塞到刚才的线程释放锁（解锁），当前线程才能加锁成功。
加锁，说是保证原子性，但并不是说让这里的三个操作一次性完成，也不是这三步操作过程中不进行调度，而是让其他也想操作的线程阻塞等待。加锁本质上是把并发变成了并行。
加锁操作会影响程序的速率，在实际过程中我们要通过实际情景来对其进行合理加锁。
synchronized使用方法：
- 修饰方法
（1）修饰普通方法（锁对象是this）
（2）修饰静态方法（锁对象是类对象（Counter.class））- 修饰代码块（显示/手动指定锁对象）
加锁，要明确执行对哪个对象进行加锁的。
如果两个线程针对同一个对象加锁，会产生阻塞等待。（锁竞争/锁冲突）
如果两个对象针对不同对象加锁，不会参数阻塞等待。（不会锁竞争/锁冲突）
一定要注意锁对象是哪个！
synchronized关键字-监视器锁monitor lock
监视器锁也就是synchronized。有时会在异常中看到这个词。
synchronized的特性
- 互斥
synchronized 会起到互斥效果, 某个线程执行到某个对象的 synchronized 中时, 其他线程如果也执行到
同一个对象 synchronized 就会阻塞等待.
- 进入 synchronized 修饰的代码块, 相当于 加锁
- 退出 synchronized 修饰的代码块, 相当于 解锁
理解 “阻塞等待”： 针对每一把锁, 操作系统内部都维护了一个等待队列. 当这个锁被某个线程占有的时候, 其他线程尝 试进行加锁,就加不上了, 就会阻塞等待, 一直等到之前的线程解锁之后, 由操作系统唤醒一个新的 线程, 再来获取到这个锁。
注意：
上一个线程解锁之后, 下一个线程并不是立即就能获取到锁. 而是要靠操作系统来 “唤醒”. 这
也就是操作系统线程调度的一部分工作.
假设有 A B C 三个线程, 线程 A 先获取到锁, 然后 B 尝试获取锁, 然后 C 再尝试获取锁, 此时 B和 C 都在阻塞队列中排队等待. 但是当 A 释放锁之后, 虽然 B 比 C 先来的, 但是 B 不一定就能获取到锁, 而是和 C 重新竞争, 并不遵守先来后到的规则.
- 可重入
synchronized 同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题；
也就是说，一个线程针对同一个对象，连续加锁两次，是否会有问题。如果没问题就叫做可重入，如果有问题就叫做不可重入的。
上述代码中，锁对象是this，只要有线程调用add，进入add方法的时候，就会先加锁。进入add方法时，又遇到了代码块，再次尝试加锁。站在this的角度看（锁对象），自己已经被另外的线程占用了，第二次的加锁是否要阻塞等待呢？
如果允许上述操作，这个锁就是可重入的。如果不允许，就是不可重入的。就会产生死锁
java中的死锁问题
死锁
程序中一旦出现死锁，就会导致线程崩溃了（无法继续执行后续工作）。程序就会产生严重的bug。死锁一般是非常隐蔽的。
死锁的三个典型情况
- 一个线程，一把锁，连续加锁两次。如果锁是不可重入锁，就会死锁
java中synchronized和ReentrantLock都是可重入锁。 - 两个线程两把锁，t1和t2各自先针对锁A和锁B加锁。再尝试获取对方的锁。
举个例子：某人把家里钥匙锁在了车里，把车钥匙锁在了家里；小红写完了英语作业，想要抄小兰的数学作业，小兰写完了数学作业，想要抄小红的英语作业。但是两人都不开口。这个场景就僵住了~
public class ThreadDemo13 {
public static void main(String[] args) {
Object yingyu = new Object();
Object shuxue = new Object();
Thread xiaohong = new Thread(() -> {
synchronized (yingyu) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (shuxue) {
System.out.println("小红抄到了小兰的数学作业！小红写完了所有作业。");
}
}
});
Thread xiaolan = new Thread(() -> {
synchronized (shuxue) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (yingyu) {
System.out.println("小兰抄到了小红的英语作业！小兰写完了所有作业。");
}
}
});
xiaohong.start();
xiaolan.start();
}
}
通过运行结果可知，此时没有线程拿到两把锁。
BLOCK表示获取锁，获取不到阻塞状态。
java：16行
java:32
针对这样的死锁问题，需要借助jconsole这样的工作来进行定位，看线程的状态和调用栈。就可以分析代码再哪里死锁了。
- 多个线程多把锁。
经典案例：哲学家就餐问题
每个哲学家有两种状态：
1.思考人生（相当于线程阻塞状态）
2.拿起筷子吃面条（相当于线程获取到所然后执行一些计算的状态）
由于系统的随机操作，这五个哲学家，随时都可能想吃面条，也随时都有可能要思考人生。
想要吃面条就需要拿起左手和右手两根筷子。
假设出现了极端情况就会死锁，即同一时刻，所有哲学家同时拿起左手的筷子，都要等待右边的哲学家把筷子放下。
那么如何解决这个问题呢？
编号（给筷子编号）。先拿编号小的，再拿编号大的。
这样一来，A先拿1，B先拿2,C先拿3，D先拿4，E先拿1。此时E就必须等待A使用完1，再拿起5吃面。E吃完D使用5和4吃…
这样就解决了死锁问题。
public class ThreadDemo13 {
public static void main(String[] args) {
Object yingyu = new Object();
Object shuxue = new Object();
Thread xiaohong = new Thread(() -> {
// 假设 yingyu 是 1 号, shuxue 是 2 号, 约定先拿小的, 后拿大的.
synchronized (yingyu) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (shuxue) {
System.out.println("小红抄到了小兰的数学作业！小红写完了所有作业。");
}
}
});
Thread xiaolan = new Thread(() -> {
synchronized (yingyu) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (shuxue) {
System.out.println("小兰抄到了小红的英语作业！小兰写完了所有作业。");
}
}
});
xiaohong.start();
xiaolan.start();
}
}
死锁的四个必要条件
- 互斥使用：线程1拿到了锁，线程2就等待。
- 不可抢占：线程1拿到锁之后，必须是线程1主动释放，线程2不能强制获取。
- 请求和保持：线程1拿到锁A之后，再尝试获取锁B，A这把锁还是保持的。
- 循环等待：线程1尝试获取到锁A和锁B 线程2尝试获取到锁B和锁A；线程1在获取B的时候等待线程2释放B，同时线程2在获取锁A的时候等待线程1释放锁A；
如何避免死锁？
如何避免死锁？（以循环等待为突破口）
方法：给锁编号，然后指定一个固定的顺序（从小到大）来加锁，任意线程加多把锁的时候，都让线程遵守上述顺序，此时循环等待自然破除。这是解决死锁最简单可靠的办法。
Java 标准库中的线程安全类
Java 标准库中很多都是线程不安全的. 这些类可能会涉及到多线程修改共享数据, 又没有任何加锁措施.
- ArrayList
- LinkedList
- HashMap
- TreeMap
- HashSet
- TreeSet
- StringBuilder
但是还有一些是线程安全的. 使用了一些锁机制来控制.
- Vector (不推荐使用)
- HashTable (不推荐使用）
- ConcurrentHashMap
- StringBuffer
还有的虽然没有加锁, 但是不涉及 “修改”, 仍然是线程安全的
- String